CN115268496A - 一种无人机空中对抗机动控制器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种无人机空中对抗机动控制器设计方法，所述方法包括：根据无人机空中对抗战术语义，将无人机空中对抗分解为中远距空中对抗和近距空中对抗；在中远距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，所述水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，所述垂直机动用于控制无人机相对于地面坐标系的爬升角；在近距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为对称平面内机动和垂直对称平面机动，所述对称平面内机动通过改变过载来控制目标在本机对称平面内的投影与本机机头指向所构成的角度，所述垂直对称平面机动通过滚转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。

Description

一种无人机空中对抗机动控制器及其设计方法

技术领域

本申请属于无人机控制技术领域，特别涉及一种无人机空中对抗机动动作控制器及其设计方法。

背景技术

随着无人化、智能化技术的发展，无人空中对抗正在成为各国研究的热点，想要实现无人控制下的飞行器自主空中对抗，必须设计相应的机动控制器来控制飞机按照相应的战术动作进行飞行，以达到与敌机博弈的战术目的。

无人机自主空中对抗算法通常由顶层感知决策算法和底层机动控制算法组成，顶层感知决策算法负责分析处理当前的空中对抗态势，并根据当前态势做出战术决策，底层机动控制器则作为下一层级的执行机构，根据顶层决策感知做出的决策飞出相应的机动动作。机动控制器是连接顶层决策和底层控制设备的接口，顶层感知决策算法只能在机动控制器提供的动作空间内进行决策选择。因此机动控制器的设计对无人机自主空中对抗算法的整体能力会产生至关重要的影响。

空中对抗机动控制器提供的动作空间不能过于复杂，太过复杂会给顶层感知决策算法的设计与训练带来很大难度；同时其提供的动作空间也不能过于简单，过于简单的机动形式会导致飞行器不灵活。因此，机动控制器需要在复杂性和灵活性上做出权衡，既给顶层感知决策算法提供足够灵活的决策动作空间，又不能降低顶层感知决策算法到设计或训练难度。

传统的无人机空中对抗机动控制器通常采用专家机动动作库的模式进行设计，即将机动动作空间分解为离散的“拦射”、“偏置”、“半滚倒转”、“高速摇摇”、“低速摇摇”等机动动作，再通过每个机动动作的参数来确定机动的具体形式。但这种将机动动作库进行离散化的方式，灵活性差，不能组合出类似人类飞行员灵活的飞行轨迹，也就很难达到影人满意的战术效果。

发明内容

本申请的目的是提供了一种无人机空中对抗机动控制器及其设计方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

一方面，本申请的技术方案是：一种无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述方法包括：

根据无人机空中对抗战术语义，将无人机空中对抗分解为中远距空中对抗和近距空中对抗；

在中远距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，所述水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，所述垂直机动用于控制无人机相对于地面坐标系的爬升角；

在近距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为对称平面内机动和垂直对称平面机动，所述对称平面内机动通过改变过载来控制目标在本机对称平面内的投影与本机机头指向所构成的角度，所述垂直对称平面机动通过滚转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。

进一步的，在中远距空中对抗中，所述相对航向表征无人机在当前态势下是选择进攻还是防守。

进一步的，在中远距空中对抗中，除了需要确定机动的目标方向外，还需要确定机动烈度，所述机动烈度体现无人机对当前空中对抗态势紧急程度的认知，通过机动过程的过载指令体现机动烈度战术语义。

进一步的，所述垂直机动体现敌我双方在能量域上的博弈，爬升将减少飞机动能，俯冲将增加飞机动能，同时俯冲也能更快降低敌方导弹的能量。

进一步的，在中远距空中对抗中，执行水平机动和垂直机动战术语义时，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制。

进一步的，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制的过程包括：

控制无人机以给定的过载和爬升角转弯，转到给定航向后，保持航向和爬升角，这个过程分为两个阶段：

第一阶段——航向开环控制阶段，中远距空中对抗机动控制器同时响应过载指令和爬升角指令，控制无人机以某个给定的爬升角转弯，此阶段实现了过载和爬升角的同时控制；

第二阶段——航向闭环控制阶段，当本机航向与给定航向小于给定阈值时，认为无人机完成转弯，进行航向闭环控制，此时同时响应航向和爬升角指令。

进一步的，在无人机中远距空中对抗实现过载和爬升角的同时控制中，利用如下公式的滚转角控制爬升角：

其中，

是滚转角指令，γ_c是爬升角指令，γ是爬升角，T_γ是期望的等效爬升角速率响应时间常数，n_c是过载指令，V是空速，g是重力加速度。

进一步的，所述对称平面内机动和垂直对称平面机动基于本机机体轴坐标系的目标相对位置进行控制，所述近距空中对抗的输入为：

a)目标在本机对称面内投影与本机机头指向所构成的角度期望值ρ_c；

b)目标与本机对称平面所构成角度的期望值σ_c

所述近距空中对抗的输出为飞机过载指令和滚转角速度指令。

进一步的，基于本机机体轴坐标系的目标相对位置控制包括如下步骤：

1)相对坐标计算

通过从地面坐标系到机体坐标系的变换，求得目标位置在本机机体轴坐标系下的坐标，公式如下：

其中，x_r、y_r、z_r是目标机位置在本机机体坐标系下的坐标，x_t、y_t、z_t是目标机位置在地面坐标系下的坐标，x_m、y_m、z_m是本机位置在地面坐标系下的坐标，G_be是xx。

2)对称平面内控制

计算目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角ρ：

根据与指令角度的偏差，解算出所需要的过载指令增量大小Δnc：

Δn_c＝K_n*(ρ_c-ρ)

其中，ρ_c是目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角期望指令，Kn是过载通道比例系数。

3)垂直对称平面内控制

求得目标机与本机对称平面所构成的角度μ：

根据目标机与本机对称平面期望的角度指令，利用比例控制解算出本机滚转角速度指令p_c：

p_c＝K_p*μ

其中，K_p是滚转通道比例控制系数，P_c是绕速度轴滚转的角速率指令。

另一方面，本申请提供了一种无人机空中对抗机动控制器，所述控制器包括中远距空中对抗机动控制器和近距空中对抗机动控制器，所述中远距空中对抗机动控制器和近距空中对抗机动控制器按照如上任一所述的无人机空中对抗机动动作控制器设计方法进行设计。

本申请的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为本申请的无人机空中对抗机动控制器设计方法流程示意图。

图2为本申请的无人机空中对抗机动控制器组成图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图1所示，本申请中提出的无人机空中对抗机动控制器设计方法基于战术语义分解，包括如下过程：

S1、将无人机空中对抗分解成中远距空中对抗和近距空中对抗，中远距空中对抗和近距空中对抗分别对应各自的机动控制器；

S2、在中远距空中对抗机动控制器设计中，通过对攻防、能量变化等战术语义的分析，将动作空间分解为水平和垂直两个方向——即水平机动和垂直机动，从而实现对航向、爬升角和过载的同时控制；

具体的，根据中远距空中对抗的战术特点，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，垂直机动用于控制本机相对于地面坐标系的爬升角。

对于飞机的水平机动，其用于控制飞机速度在水平方向上的分量，即飞机的航向。在空中对抗过程中，航向决定了飞机在当前态势下是选择进攻还是防守。应当注意的是，此时的航向是指飞机与目标位置的相对航向，而不是在惯性系下的绝对航向，因为相对航向才能表达出相应的战术语义。

举例来说，当本机航向朝着目标方向运动时，意味着进攻语义；当本机朝着目标方向偏置一定较小的角度(例如30度、50度)运动时，意味着在进攻的同时，兼顾后续的脱离动作，这一机动在发射导弹后的中制导(Midcourse Guidance，即中途制导)过程中相当常见；当本机与目标方向成90度或180度机动时，意味着飞机选择了保守的逃脱策略，可能是由于处于不利的占位态势或已经受到了目标的导弹攻击。因此，本机与目标的相对航向指令包含着战术机动中的攻防语义，表征飞机在空中对抗中选择进攻还是防守。

在无人机进行水平机动过程中，除了需要确定机动的目标方向外，还需要确定机动烈度，这一指标可以通过机动过程的过载指令来控制。越是激烈的运动，意味着需要越快的调整到给定的航向，但同时可能伴随着更严重的能量损失。机动烈度体现了无人机对当前空中对抗态势紧急程度的认知，即过载指令体现机动烈度战术语义。

对于飞机的垂直机动，其控制着飞机爬升角的大小。在空中对抗过程中，飞机改变爬升角的大小可能包含三种战术意图：一是为了到达指定高度对目标进行拦截；二是通过垂直方向的机动进行动能和重力势能的转换，利用重力加速度快速改变自身动能；三是利用高度变化，改变周围的大气密度，使攻击本机的导弹更快的消耗能量，从而摆脱目标导弹的攻击。总结来说，本机垂直机动体现了敌我双方在能量域上的博弈，爬升将减少飞机动能，俯冲将增加飞机动能，同时俯冲也能更快降低敌方导弹的能量。

S3、在近距空中对抗机动控制器设计中，通过提取目标和本机的相对位置，将机动空间分解为机体对称平面内机动和垂直机体对称平面机动两个维度，实现在近距缠斗中占据有利位置。

近距空中对抗的核心战术是通过机动，将本机置于目标或敌机的尾后，从而占据更为有利的攻击位置。飞行员在进行近距空中对抗格斗时，通常会通过观察敌机相对与本机的位置和速度，利用能量机动理论来选择合理的机动，本申请的方法中模拟了飞行员的这种操作习惯。

对于对称平面内机动，通过改变过载来控制目标在本机对称平面内投影与本机机头指向所构成的角度。举例来说，若目标在本机对称平面内，且与本机机头指向构成的角度为0时，本机机头指向目标，即实现纯追踪战术语义；当该角度大于0时，本机机头指向目标后方，即实现滞后跟踪战术语义；当该角度小于0时，本机机头指向目标前方，即实现超前追踪战术语义。

对于垂直对称平面机动，通过飞机滚转来控制目标与本机对称平面构成的角度。例如，在近距格斗中，飞行员经常利用“高速摇摇”机动实现动能换取势能，从而降低自身速度，避免在目标尾后时速度过快而冲到目标前方；飞行员经常利用“低速摇摇”机动实现势能换取动能，从而避免由于速度过低被对手拉开距离。垂直对称平面机动通过改变目标与本机对称平面的角度，控制本机的机动平面与水平面的角度，从而控制势能与动能的相互转换，达到类似“高速摇摇”、“低速摇摇”机动的战术效果。

为了实现中远距空中对抗中水平方向和垂直方向上的机动战术语义，飞机需要同时对航向、过载、爬升角和速度(空速)进行控制。其中，对速度的控制采用了传统的自动油门方式，这里不再具体描述。

下面主要对航向、过载和爬升角进行同时控制的方法进行描述。

中远距空中对抗机动控制器控制无人机以给定的过载和爬升角转弯，转到给定航向后，保持航向和爬升角，这个过程主要分为两个阶段：

第一阶段——航向开环控制阶段，中远距空中对抗机动控制器同时响应过载指令和爬升角指令，控制无人机以某个给定的爬升角转弯，此阶段实现了过载和爬升角的同时控制。

传统上爬升角是纵向变量，一般通过控制法向过载来控制爬升角。但是在剧烈的空中对抗机动中，人类飞行员拉杆产生期望的过载后，通常通过滚转来改变升力的指向，从而控制飞机在垂直方向上的运动。基于战术语义的中远距空中对抗机动控制器模拟飞行员的这一控制方式，在转弯过程中，通过滚转控制飞机的爬升角，从而实现过载和爬升角的同时控制，利用如下公式滚转角控制爬升角：

其中，

是滚转角指令，γ_c是爬升角指令，γ是爬升角，T_γ是期望的等效爬升角速率响应时间常数，n_c是过载指令，V是空速，g是重力加速度。

第二阶段——航向闭环控制阶段，当飞机航向与给定航向小于某个给定的阈值时，控制器认为飞机完成转弯，进行航向闭环控制，此时控制器同时响应航向和爬升角指令，控制方式与传统控制器相同，本处不在赘述。

最后，在近距空中对抗机动控制中，对称平面内机动和垂直对称平面机动均基于本机机体轴坐标系的目标相对位置进行控制，近距空中对抗控制器的输入为：

a)目标(或目标飞机)在本机对称面内投影与本机机头指向所构成的角度期望值ρ_c；

b)目标与本机对称平面所构成角度的期望值σ_c；

控制器输出飞机过载指令和滚转角速度指令，供更底层的增稳控制器使用，增稳控制器采用传统设计方法，这里不再具体描述。

基于本机机体轴坐标系的目标相对位置控制包括如下步骤：

1)相对坐标计算

通过从地面坐标系到机体坐标系的变换，求得目标位置在本机机体轴坐标系下的坐标，公式如下：

其中，x_r、y_r、z_r是目标机位置在本机机体坐标系下的坐标，x_t、y_t、z_t是目标机位置在地面坐标系下的坐标，x_m、y_m、z_m是本机位置在地面坐标系下的坐标，G_be是xx。

2)对称平面内控制

计算目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角ρ：

根据与指令角度的偏差，解算出所需要的过载指令增量大小Δn_c：

Δn_c＝K_n*(ρ_c-ρ)

其中，ρ_c是目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角期望指令，Kn是过载通道比例系数。

3)垂直对称平面内控制

求得目标机与本机对称平面所构成的角度μ：

根据目标机与本机对称平面期望的角度指令，利用比例控制解算出本机滚转角速度指令p_c：

p_c＝K_p*μ

其中，K_p是滚转通道比例控制系数，P_c是绕速度轴滚转的角速率指令。

本申请的方法基于战术语义对无人机动作空间进行分解，摆脱了传统机动号控制器不灵活的弊端。而采用传统控制器设计方法，通过机动号选择要执行的动作，再通过机动号的参数来控制具体的机动形式，这种控制形式受到专家机动号的限制，不够灵活，不能组合出类似人类飞行员的灵活机动。同时，动作空间是离散量(机动号)和连续量(机动参数)的组合，这种动作空间组合给基于强化学习类的顶层决策算法的训练造成困难。而本申请的方法基于战术语义对动作空间进行的分解，提高了机动控制的灵活性，同时也降低了顶层算法的设计/训练难度。

如图2所示，本申请中还提供了一种无人机空中对抗控制器，该机动控制器100利用基于空中对抗战术语义的设计思想，将无人机自主空中对抗划分为中远距空中对抗控制器101和近距空中对抗机动控制器102。中远距空中对抗控制器101负责控制水平机动和垂直机动两个动作空间，近距空中对抗机动控制器102负责控制本机对称平面内和垂直本机对称平面两个动作空间，战术语义和物理意义更加明确，在不显著增加动作空间复杂度的条件下，增加了机动控制的灵活性，有利于自主空中对抗算法整理能力的提升。本申请的方法设计的机动控制器具有更强的战术语义，在中远距和近距机动控制器设计中，都采用了控制相对量代替了传统的控制绝对量，具体来说，在中远距机动中，用与目标的相对航向代替了绝对航向，在近距机动中，用目标机在机体轴中的相对位置代替了空间中的绝对位置。利用相对量控制，使得无人机的机动动作更有战术针对性，减少了无用的探索，降低了决策算法设计/训练的难度。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述方法包括：

根据无人机空中对抗战术语义，将无人机空中对抗分解为中远距空中对抗和近距空中对抗；

在中远距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为水平机动和垂直机动，其中，所述水平机动用于控制本机与目标的相对航向和机动过程中使用的过载，所述垂直机动用于控制无人机相对于地面坐标系的爬升角；

在近距空中对抗中，基于战术语义，将机动空间分解为对称平面内机动和垂直对称平面机动，所述对称平面内机动通过改变过载来控制目标在本机对称平面内的投影与本机机头指向所构成的角度，所述垂直对称平面机动通过滚转来控制目标与本机对称平面所构成的角度。

2.如权利要求1所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在中远距空中对抗中，所述相对航向表征无人机在当前态势下是选择进攻还是防守。

3.如权利要求2所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在中远距空中对抗中，除了需要确定机动的目标方向外，还需要确定机动烈度，所述机动烈度体现无人机对当前空中对抗态势紧急程度的认知，通过机动过程的过载指令体现机动烈度战术语义。

4.如权利要求1所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述垂直机动体现敌我双方在能量域上的博弈，爬升将减少飞机动能，俯冲将增加飞机动能，同时俯冲也能更快降低敌方导弹的能量。

5.如权利要求1至4中任一所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在中远距空中对抗中，执行水平机动和垂直机动战术语义时，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制。

6.如权利要求5所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，无人机同时对航向、过载、爬升角和速度进行控制的过程包括：

控制无人机以给定的过载和爬升角转弯，转到给定航向后，保持航向和爬升角，这个过程分为两个阶段：

第一阶段——航向开环控制阶段，中远距空中对抗机动控制器同时响应过载指令和爬升角指令，控制无人机以某个给定的爬升角转弯，此阶段实现了过载和爬升角的同时控制；

第二阶段——航向闭环控制阶段，当本机航向与给定航向小于给定阈值时，认为无人机完成转弯，进行航向闭环控制，此时同时响应航向和爬升角指令。

7.如权利要求6所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，在无人机中远距空中对抗实现过载和爬升角的同时控制中，利用如下公式的滚转角控制爬升角：

其中，

是滚转角指令，γ_c是爬升角指令，γ是爬升角，T_γ是期望的等效爬升角速率响应时间常数，n_c是过载指令，V是空速，g是重力加速度。

8.如权利要求1所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，所述对称平面内机动和垂直对称平面机动基于本机机体轴坐标系的目标相对位置进行控制，所述近距空中对抗的输入为：

a)目标在本机对称面内投影与本机机头指向所构成的角度期望值ρ_c；

b)目标与本机对称平面所构成角度的期望值σ_c

所述近距空中对抗的输出为飞机过载指令和滚转角速度指令。

9.如权利要求8所述的无人机空中对抗机动控制器设计方法，其特征在于，基于本机机体轴坐标系的目标相对位置控制包括如下步骤：

1)相对坐标计算

通过从地面坐标系到机体坐标系的变换，求得目标位置在本机机体轴坐标系下的坐标，公式如下：

其中，x_r、y_r、z_r是目标机位置在本机机体坐标系下的坐标，x_t、y_t、z_t是目标机位置在地面坐标系下的坐标，x_m、y_m、z_m是本机位置在地面坐标系下的坐标，G_be是xx。

2)对称平面内控制

计算目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角ρ：

根据与指令角度的偏差，解算出所需要的过载指令增量大小Δnc：

Δn_c＝K_n*(ρ_c-ρ)

其中，ρ_c是目标机在本机对称平面内投影与本机机头夹角期望指令，Kn是过载通道比例系数。

3)垂直对称平面内控制

求得目标机与本机对称平面所构成的角度μ：

根据目标机与本机对称平面期望的角度指令，利用比例控制解算出本机滚转角速度指令p_c：

p_c＝K_p*μ

其中，K_p是滚转通道比例控制系数，P_c是绕速度轴滚转的角速率指令。

10.一种无人机空中对抗机动控制器，其特征在于，所述控制器包括中远距空中对抗机动控制器和近距空中对抗机动控制器，所述中远距空中对抗机动控制器和近距空中对抗机动控制器按照如权利要求1至9任一所述的无人机空中对抗机动动作控制器设计方法进行设计。

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